机电传动第一章1

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1、自我介绍自我介绍 姓名：黎勉姓名：黎勉 职称职称:高级工程师高级工程师(机电专业机电专业)技术专长：机、液、电、计算机综合应用，擅技术专长：机、液、电、计算机综合应用，擅长方案设计和系统设计。长方案设计和系统设计。主要技术成果：（略）主要技术成果：（略）其中两项科研成果获省科技进步三等奖其中两项科研成果获省科技进步三等奖 取得实用新型专利取得实用新型专利30多项，授权发明专利多项，授权发明专利5项项 联系电话：联系电话：公共邮箱：公共邮箱：邮箱密码：邮箱密码：考试课、专业基础课、必修课考试课、专业基础课、必修课 主要参考教材机电传动控制（第五版）机电传动控制（第五版）冯清秀、冯清秀、邓星钟主编

2、邓星钟主编华中科技大学出版社华中科技大学出版社机电传动控制概述机电传动控制概述“机电传动控制机电传动控制”课程是机械电子工程专课程是机械电子工程专业的一门必修的专业基础课，它是机电业的一门必修的专业基础课，它是机电一体化人才所需电知识结构的驱体。对一体化人才所需电知识结构的驱体。对我们测控专业来说也是一门专业基础课我们测控专业来说也是一门专业基础课程。程。现代技术的发展，已经使得电力传现代技术的发展，已经使得电力传动控制装置和机械设备形成一个不可分动控制装置和机械设备形成一个不可分割的整体割的整体，如大家熟悉家电产品，洗衣，如大家熟悉家电产品，洗衣机、机、VCD、电脑的软、硬驱、打印机、电脑的

3、软、硬驱、打印机、扫描仪、汽车等，工业产品那就更不用扫描仪、汽车等，工业产品那就更不用说了，如：数控机床、加工中心、自动说了，如：数控机床、加工中心、自动化生产线、立体仓库等。化生产线、立体仓库等。本课程与测控专业的关系本课程与测控专业的关系 顾名思义，顾名思义，测控就是检测与控制测控就是检测与控制，前述的应，前述的应用全部离不开检测与控制，我们专业的就业用全部离不开检测与控制，我们专业的就业的主要方向，是品质工程师，即产品质量检的主要方向，是品质工程师，即产品质量检验工程师，和机电工程师。面对的被测对象验工程师，和机电工程师。面对的被测对象和检测设备大量的是机电产品和检测设备大量的是机电产品

4、,对大批量生产对大批量生产的产品还要自己设计专门的自动检测装置，的产品还要自己设计专门的自动检测装置，如果你对机电传动原理不熟悉、就不知道怎如果你对机电传动原理不熟悉、就不知道怎样选购相应的仪器设备，怎么设计相应的自样选购相应的仪器设备，怎么设计相应的自动检测装置。动检测装置。所以本课程对我们专业、以及所以本课程对我们专业、以及你们将来找工作，可以用四个字来形容你们将来找工作，可以用四个字来形容检测检测（传感器课程）（传感器课程）4只碰撞传感器2只红外传感器2只光敏传感器2只光电编码器1只麦克风外部存储器单片机稳压与低电压复位系统2只直流电机LCD喇叭1只直流电机或伺服电机电机驱动喇叭驱动直流

5、驱动BUS各种外部扩展卡ASBUS总线串口通讯PC控制控制（微机原理等课程（微机原理等课程）驱动驱动（本课程）（本课程）关节臂式测量仪关节臂式测量仪伺服电机 联轴器工件 下模板气缸固定板 电机固定板扭转销上模板气缸组件自动缠胶带机 bundler16-9_kl.wmv本课程的任务本课程的任务 l 了解最新控制技术在工业生产中的应用。l 了解机电传动控制技术的一般知识；l 掌握常用交、直流电机的工作原理、特性和选用方法；l 掌握掌握继电器、接触器、继电器、接触器、晶闸管的工作原理、特性和选用方法；l 掌握常用的控制系统工作原理、特点及适用场合；本书的编写意图与指导思想本书的编写意图与指导思想 在

6、编写时着重考虑了以下几个辩证关系的处理：在编写时着重考虑了以下几个辩证关系的处理：（5）掌握与了解掌握与了解对现有正在广泛应用的知识对现有正在广泛应用的知识要掌握，对现已出现并开始应用的新技术要了解。要掌握，对现已出现并开始应用的新技术要了解。n（1）原理与应用）原理与应用两者并重，注意理论与实际两者并重，注意理论与实际应用相结合。应用相结合。n（2）元件与系统元件与系统两者紧密结合，但元件着重两者紧密结合，但元件着重外部特性，为在系统中应用服务。外部特性，为在系统中应用服务。n（3）定性与定量定性与定量重在定性重在定性，但建立必要的数量概念。，但建立必要的数量概念。n（4）保旧与建新保旧与建

7、新既要保旧，以反映我国机电传既要保旧，以反映我国机电传动控制技术的现状；又要建新，以适应当前机电传动动控制技术的现状；又要建新，以适应当前机电传动控制新技术发展的需要。控制新技术发展的需要。第一章第一章 概述概述 上述是机电传动的具体目的，上述是机电传动的具体目的，其更一般的目的是：其更一般的目的是：提高生产的自动化程度、提高效率、扩大工艺范提高生产的自动化程度、提高效率、扩大工艺范围、提高产品质量。围、提高产品质量。（如洗衣机）（如洗衣机）n 1 11 1 机电传动的目的和任务机电传动的目的和任务n一、一、机电传动的涵义机电传动的涵义（又称电力传动或电力拖（又称电力传动或电力拖动）就是指以电

8、动机为原动机，驱动生产机械的动）就是指以电动机为原动机，驱动生产机械的系统的总称系统的总称n二、二、机电传动的目的机电传动的目的 将电能转变为机械能，实将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。行。在现代工业中，为了实现生产过程自动在现代工业中，为了实现生产过程自动化的要求，机电传动不仅化的要求，机电传动不仅包括包括拖动生产拖动生产机械的机械的电动机电动机，而且包含控制电动机的，而且包含控制电动机的一整套一整套控制系统控制系统，两者紧密地联系在

9、一，两者紧密地联系在一起。因此起。因此,现在讲机电传动实际上讲的是现在讲机电传动实际上讲的是 “机电传动控制机电传动控制”。三、机电传动控制系统的任务三、机电传动控制系统的任务 狭义狭义专指控制电动机驱动生产机械，专指控制电动机驱动生产机械，增加产量、提高质量、降低生产成本、改增加产量、提高质量、降低生产成本、改善工人劳动条件，节约能源。善工人劳动条件，节约能源。n广义广义使生产机械设备、生产线、车间、使生产机械设备、生产线、车间、甚至整个工厂都实现自动化。甚至整个工厂都实现自动化。很大的调速范围很大的调速范围：如重型镗床为保证加：如重型镗床为保证加工精度和控制粗糙度，要求在极慢的稳工精度和控

10、制粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，同时为提高生产率，非加工速下进给，同时为提高生产率，非加工过程需要很高速的移动。因此要求在很过程需要很高速的移动。因此要求在很宽的范围内调速宽的范围内调速 随着生产工艺的发展，对机电传动控制随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统提出了愈来愈高的要求。系统提出了愈来愈高的要求。n高精度的要求高精度的要求：例如，一些精密机床要求：例如，一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米。加工精度达百分之几毫米，甚至几微米。多设备协调运转多设备协调运转：对于自动生产线，则要求：对于自动生产线，则要求各台设备或同一台设备各分部的转速保持一各台设备或同一台设备各分部的转

11、速保持一定的比例关系进行，上述要求都是靠电动机定的比例关系进行，上述要求都是靠电动机及其控制系统和机械传动装置来实现的。如及其控制系统和机械传动装置来实现的。如造纸、拉丝等。造纸、拉丝等。n满足频繁启、停满足频繁启、停：如电子元件的自动插件、数：如电子元件的自动插件、数控工作台的移动等操作频繁，要求在不到一秒控工作台的移动等操作频繁，要求在不到一秒的时间内就得完成数次从正转到反转的过程，的时间内就得完成数次从正转到反转的过程，即即要求能迅速地准确启动、制动和反转要求能迅速地准确启动、制动和反转；n运动平稳，定位准确运动平稳，定位准确：在输送设备纺织设备：在输送设备纺织设备（纺纱）、印刷设备如我

12、们很熟悉的彩色打印（纺纱）、印刷设备如我们很熟悉的彩色打印机。机。应用举例 薄薄 片片 切切 割割 机机 贴贴 标标 机机（定位准确）（定位准确）机机 充充 填填 机机成成 形形 （多设备协调）（多设备协调）（多设备协调）（多设备协调）印刷印刷帖标签帖标签 18021802年奥斯特发现了电流在磁场中受年奥斯特发现了电流在磁场中受力的物理现象力的物理现象导致了直流电动机的导致了直流电动机的诞生。诞生。18311831年法拉第发现了电磁感应年法拉第发现了电磁感应定律定律,为生产制造发电机提供了依据为生产制造发电机提供了依据。随后制成了直流发电机，在电机与。随后制成了直流发电机，在电机与电力拖动发展

13、史上首先得到应用的是电力拖动发展史上首先得到应用的是直流电机。直流电机。直流电动机的诞生直流电动机的诞生 18711871年凡麦尔发明了交流发年凡麦尔发明了交流发电机电机,18851885年费拉利斯发现了两相年费拉利斯发现了两相电流可以产生旋转磁场。一年以后电流可以产生旋转磁场。一年以后制成了两相感应电动机的模型。制成了两相感应电动机的模型。18881888年多里沃多勃罗沃尔斯提出了年多里沃多勃罗沃尔斯提出了三相制，并制成了三相感应电动机三相制，并制成了三相感应电动机，到，到2020世纪初，各种三相交流电动世纪初，各种三相交流电动机均已设计制造成功。机均已设计制造成功。交流电动机的诞生交流电动

14、机的诞生 12 机电传动及其控制系统的发机电传动及其控制系统的发展概况展概况 成组拖动；成组拖动；单电动机拖动；单电动机拖动；多电动机拖动多电动机拖动n 机电传动及其控制系统总是随着社会生产的发展机电传动及其控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电传动而言，它的发展大体上而发展的。单就机电传动而言，它的发展大体上经历了如下三个阶段经历了如下三个阶段：一、机电传动的发展一、机电传动的发展 （一）、成组拖动成组拖动 就是就是一台电动机拖动一根天轴，然后再由天轴通一台电动机拖动一根天轴，然后再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种拖动这种拖动方式生产效

15、率低，劳动条件差，一旦电动机发生方式生产效率低，劳动条件差，一旦电动机发生故障，将造成成组的生产机械停车；故障，将造成成组的生产机械停车；（二）、单电动机拖动单电动机拖动就是就是用一台电动机拖动一台生产机械用一台电动机拖动一台生产机械，（如普通车床）它虽较成组拖动前进如普通车床）它虽较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构十分复杂，件较多时，机械传动机构十分复杂，有时甚至不可能，如打印机；有时甚至不可能，如打印机；（三）、（三）、多电动机拖动多电动机拖动 一台生产机械的每一个运动部件分别由一台一台生产机械的每一个运动部件分别由一台专门

16、的电动机拖动专门的电动机拖动，例如，打印机，送纸运，例如，打印机，送纸运动、打印头移动分别由不同的电机驱动。动、打印头移动分别由不同的电机驱动。大家不妨设想一下，用一台电机同时驱动送大家不妨设想一下，用一台电机同时驱动送纸和打印头，将是何等的困难！因此，纸和打印头，将是何等的困难！因此，现代现代机电传动基本上均采用这种多电机拖动形式机电传动基本上均采用这种多电机拖动形式。它不仅大大简化了生产机械的传动机构，而它不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件。利的条件。数控机床、机器人、机械手是典型的多电机数控机床、机器人

17、、机械手是典型的多电机拖动设备。拖动设备。Hexa 6X 三维模型n这是一台并联运动机床这是一台并联运动机床二、控制系统的发展二、控制系统的发展 控制系统的发展是伴随控制系统的发展是伴随控制器件控制器件的发展而发展。随着功率器件、的发展而发展。随着功率器件、放大器件的不断更新，机电传动放大器件的不断更新，机电传动控制系统的发展日新月异，它主控制系统的发展日新月异，它主要经历了四个阶段：要经历了四个阶段：1、简单的接触器与继电器控制、简单的接触器与继电器控制（断续控制）（断续控制）最早的机电传动控制系统出现在最早的机电传动控制系统出现在20世纪初，世纪初，它仅借助于接触器与继电器等电器，实现对它

18、仅借助于接触器与继电器等电器，实现对控制对象的启动、停车以及有级调速等控制，控制对象的启动、停车以及有级调速等控制，它的控制速度慢，控制精度差；它的控制速度慢，控制精度差；2、电机放大机控制、电机放大机控制 （连续控制）（连续控制）上世纪上世纪30年代出现了电机放大机控制，它年代出现了电机放大机控制，它使控制系统从断续控制发展到连续控制，使控制系统从断续控制发展到连续控制，并根据输出量与给定量的偏差对控制对象并根据输出量与给定量的偏差对控制对象进行自动调整，它的快速性及控制精度都进行自动调整，它的快速性及控制精度都大大超过了最初的断续控制，并简化了控大大超过了最初的断续控制，并简化了控制系统，

19、减少了电路中的触点，提高了可制系统，减少了电路中的触点，提高了可靠性，使生产效率大为提高；靠性，使生产效率大为提高；3、磁放大器控制和大功率可控水银整流、磁放大器控制和大功率可控水银整流器控制器控制 上世纪上世纪40年代年代50年代出现了磁放大器年代出现了磁放大器控制和大功率可控水银整流器控制；控制和大功率可控水银整流器控制；磁磁放大器的实质就是变压器放大器的实质就是变压器，原边是输入，原边是输入，副边是输出，放大比就是匝数比。副边是输出，放大比就是匝数比。4、大功率固体可控整流元件、大功率固体可控整流元件晶闸管、晶闸管、晶体管晶体管 50年代末期出现了大功率固体可控整流年代末期出现了大功率固

20、体可控整流元件元件晶闸管晶闸管，晶体管、晶闸管具有效晶体管、晶闸管具有效率高、控制特性好、反应快、寿命长、可率高、控制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、重量轻等优靠性高、维护容易、体积小、重量轻等优点点，它的出现为机电传动自动控制系统开，它的出现为机电传动自动控制系统开辟了新纪元。辟了新纪元。n上述发展主要在上述发展主要在控制控制元件元件方面的发展，下面方面的发展，下面的发展主要在的发展主要在控制手段控制手段方面的发展。方面的发展。在控制手段方面的发展在控制手段方面的发展 1、采样控制、采样控制 随着数控技术的发展，计算机的应用特随着数控技术的发展，计算机的应用特别是微别是微

21、 型计算机的出现和应用，又使控型计算机的出现和应用，又使控制系统发展到一个新阶段制系统发展到一个新阶段采样控制，采样控制，它也是它也是一种断续控制一种断续控制，但是和最初的断，但是和最初的断续控制不同，它的控制间隔（采样周期）续控制不同，它的控制间隔（采样周期）比控制对象的变化周期短得多，因此，比控制对象的变化周期短得多，因此，在在客观上完全等效于连续控制客观上完全等效于连续控制，它把晶，它把晶闸管技术与微电子技术、计算机技术紧闸管技术与微电子技术、计算机技术紧密地结合在一起，使晶体管与晶闸管控密地结合在一起，使晶体管与晶闸管控制具有强大的生命力。制具有强大的生命力。2、计算机数字控制（、计算

22、机数字控制（CNC）20世纪世纪70年代初，计算机数字控制年代初，计算机数字控制（CNC）系统应用于数控机床和加工中）系统应用于数控机床和加工中心，这不仅加强了自动化程度，而且提心，这不仅加强了自动化程度，而且提高了机床的通用性和加工效率，在生产高了机床的通用性和加工效率，在生产上得到了广泛的应用。工业机器人的诞上得到了广泛的应用。工业机器人的诞生，为实现机械加工全盘自动化创造了生，为实现机械加工全盘自动化创造了物质基础。物质基础。图3-3 CNC系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器

23、人机器人 测量机测量机 .CNCCNC装置的组成装置的组成 3、柔性制造系统（、柔性制造系统（FMS）80年代以来，出现了由数控机床、工业机年代以来，出现了由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线算机控制的机械加工自动线柔性制造柔性制造系统（系统（FMS），它是实现自动化车间和自），它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。动化工厂的重要组成部分。4、利用计算机辅助设计（、利用计算机辅助设计（CAD）与计算机）与计算机辅助制造（辅助制造（CAM）机械制造自动化高级阶段是走向设计、制机械制造自动化高级阶段是走向设计、制

24、造一体化，即利用计算机辅助设计（造一体化，即利用计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（与计算机辅助制造（CAM）形成产品设计）形成产品设计和制造过程的完整系统，对产品构思和设和制造过程的完整系统，对产品构思和设计直至装配、试验和质量管理这一全过程计直至装配、试验和质量管理这一全过程实现自动化。实现自动化。5、今后的任务、今后的任务(发展方向）发展方向）实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集成生产系统（研制计算机集成生产系统（CIMS）13 13 课程的任务课程的任务 电控系统包含电控系统包含弱电控制弱电控制（主要为计算机（主要为计算机控制）

25、和控制）和强电控制强电控制（各种驱动系统控制，（各种驱动系统控制，如交、直流电机控制等）如交、直流电机控制等）本课程的任务主要是本课程的任务主要是讲述机电一体化技讲述机电一体化技术所需的强电控制知识以及相关的内容。术所需的强电控制知识以及相关的内容。要求：要求：了解原理，懂得选用了解原理，懂得选用。14 课程的内容安排 以应用为主，以交流为主以应用为主，以交流为主。重点内容：重点内容：第二章第二章 机电传动系统的运动方程机电传动系统的运动方程 （运动方（运动方程、动力学方程、转动惯量计算与折算）程、动力学方程、转动惯量计算与折算）第三章第三章 直流电机的工作原理及特性（机械特直流电机的工作原理及特性（机械特性、启动、制动与调速特性）性、启动、制动与调速特性）第四章第四章 交流电机的工作原理及特性交流电机的工作原理及特性（机械（机械特性、启动、制动与调速特性）特性、启动、制动与调速特性）第六章第六章 继电器继电器-接触器控制系统接触器控制系统第一章结束